나노기술 및 정책 정보

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중국 네이멍구(内蒙古) 대학교 왕친(王勤) 교수 연구팀은 지린(吉林) 대학교 산하 "모바일 소재 교육부 중점 실험실" 연구팀과 공동 연구를 수행하고 초(超) 안정 3차원 백금 구리 나노 와이어 촉매 재료를 개발하는데 성공함.

연구팀이 개발한 초(超) 안정 3차원 백금 구리 나노 와이어 촉매 재료는 초미세 사이즈, 셀프 서포트(Self support) 강성(剛性) 구조를 가지는 동시에 표면에 구리 공위(空位) 결함을 다량 함유한 특징을 가지고 있음.

탄소 부착 백금 베이스 전기 촉매 재료는 연료전지의 음극 환원 및 양극 산화 반응에 폭넓게 응용되고 있지만 안정성이 떨어지고 원가가 높은 동시에 반응 속도가 느린 문제점으로 인해 상용화에 큰 제한을 받고 있으며, 이런 상황을 전환시키기 위해 효율성이 높을 뿐만 아니라 뛰어난 내구성을 가지는 셀프 서포트(Self support) 백금 베이스 전기 촉매 재료 개발이 시급함.

연구팀은 이번 연구를 통해 백금과 비(非) 귀금속 합금화로 백금 사용량을 감소시키고 결정격자 응력과 전자 구조에 대한 조정 제어를 하여 우수한 산화 환원 반응 촉매 활성을 취득할 수 있었음. 금속 공위(空位) 결함과 압축 응력도 전기 촉매 성능을 뚜렷이 향상시킬 수 있으며, 결함은 독특한 전자 특성을 나타낼 뿐만 아니라 금속 원자 등 활성 물종(物種)과 새로운 협동 배위 구조를 형성하여 최적의 촉매 성능을 취득할 수 있다는 점을 발견하였음.

연구팀은 전기화학 에칭(Etching) 조립을 통해 금속 공위(空位) 결함을 다량 함유한 효율적인 전기 촉매 재료를 합성하는 전략을 사용하여 초미세 사이즈를 구현하고 셀프 서포트 구조와 구리 공위 결합을 다량 함유한 초 안정 상태 3차원 백금 구리 나노 와이어를 합성하였음. 동 재료는 우수한 산화 환원 반응 촉매 성능을 보유하고 있으며, 품질 활성은 상용화 백금 촉매의 14.1배에 달하고 미국 에너지성이 확정한 2020년 발전 목표의 7.2배 수준에 달하는 동시에 현재 세계적으로 보도된 성능이 제일 우수한 셀프 서포트 귀금속 촉매 재료에 속함.

연구팀은 밀도 범함수 이론 계산을 실행하여 구리 공위(空位) 도입은 백금 원자의 산소 함유 중간체 흡착을 개변시킬 수 있다는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 전기화학 활성화 과정 중의 활성 위치 점에 대한 조정 제어 및 금속 공위(空位) 결함, 결정격자 응력 연구를 위해 중요한 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Angew. Chem. Int. Ed.’ ("Achieve Superior Electrocatalytic Performance by Surface Copper Vacancy Defects during Electrochemical Etching Process") 지에 게재됨.